黃克儉 柴 健 劉先春

（1.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院 2.湖北省防雷中心）

0 引言

人站在被雷擊的直擊雷防護(hù)裝置旁可能遭受跨步電壓、接觸電壓和旁側(cè)閃絡(luò)的傷害風(fēng)險(xiǎn)。GB21714.2—2015中指出人站在被雷擊的直擊雷防護(hù)裝置旁，在3m范圍內(nèi)，存在因跨步電壓和接觸電壓造成人體傷害的風(fēng)險(xiǎn)［1］，但未指出存在對(duì)人體旁側(cè)閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)。是不存在旁側(cè)閃絡(luò)的傷害風(fēng)險(xiǎn)？還是該風(fēng)險(xiǎn)很小？許多學(xué)者在跨步電壓、接觸電壓對(duì)人體傷害方面進(jìn)行了一些研究，并取得了不少的研究成果［2-16］，但未見(jiàn)有雷擊旁側(cè)閃絡(luò)對(duì)人體傷害的定量研究方面的文獻(xiàn)。為了弄清這一問(wèn)題，本文通過(guò)建立等效電路模型，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，以期為地面上人體遭雷電旁側(cè)閃絡(luò)危害分析提供參考。

1 地面上人體遭雷電旁側(cè)閃絡(luò)的計(jì)算分析

雷擊旁側(cè)閃絡(luò)是一種非接觸放電現(xiàn)象，主要由雷電流通道與人體之間的電位差造成空氣擊穿所引起，擊穿后部分雷電流通過(guò)人體入地，造成傷害。雷擊旁側(cè)閃絡(luò)的本質(zhì)是空氣間隙擊穿，由空氣中接地引下線和人體之間的電位差誘發(fā)。人體作為導(dǎo)體，因閃絡(luò)前沒(méi)有電流流過(guò)，所以人體各部位壓降為零。因此，接地引下線和人體之間空氣間隙所承受的電壓，即為接地引下線上的壓降和地表電位差兩部分之和。下面我們將接地引下線壓降和地表電位差兩部分分別進(jìn)行計(jì)算。

（1）接地引下線電位差計(jì)算

接地引下線可等效為阻抗電路模型，由引下線電感和引下線電阻組成。

接地引下線電阻可用式（1）表達(dá)：

接地引下線電感可用式（2）表達(dá)：［17］

那么，接地引下線壓降可用式（3）表達(dá)：

其中，接地引下線電阻率取9.78×10-8Ω·m，單位長(zhǎng)度電感量為962nH（μ0＝4π×10-7H／m，l＝1m，d＝12mm時(shí)由式（2）計(jì)算所得），雷電流等效頻率取105Hz。

（2）地表電位差計(jì)算

地表電位差即為地網(wǎng)電位升高（GPR）差值，我們使用CDEGS進(jìn)行仿真計(jì)算。CDEGS軟件是Current Distribution、Electromagnetic field、Grounding and Soil structure Analysis（電流分布、電磁場(chǎng)、接地和土壤結(jié)構(gòu)分布）的縮寫，由加拿大SES公司（Safe Engineering Services＆Technologies Ltd.，安全技術(shù)工程服務(wù)有限公司）出品，目前是國(guó)際上成熟的、商業(yè)化的通用接地分析軟件。

由于土壤放電電壓低于空氣放電電壓，因此土壤放電只會(huì)限制在土壤中或表面，不會(huì)引起空氣擊穿，理論上對(duì)人體不僅不會(huì)構(gòu)成傷害，并且還對(duì)限制地表電位梯度有幫助。

在研究垂直和水平接地極的地表電位差時(shí)，考慮了土壤放電效應(yīng)，通過(guò)仿真計(jì)算修正土壤中任何兩點(diǎn)之間電壓梯度均不超過(guò)300kV／m，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況。以下為垂直接地極仿真模型（見(jiàn)圖1）、水平接地極仿真模型（見(jiàn)圖2）和不同土壤電阻率條件下地表GPR分布計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖3）。

圖1 垂直接地極仿真模型圖

圖2 水平接地極仿真模型圖

圖3 不同土壤電阻率條件下地表電位差分布圖（實(shí)線代表垂直接地極，虛線代表水平接地極）

2 空氣間隙擊穿判據(jù)與計(jì)算分析

接地引下線和人體之間構(gòu)成一個(gè)非均勻電場(chǎng)間隙。其擊穿電壓具有一定波動(dòng)范圍，并與空氣間隙距離呈正比關(guān)系，取擊穿判據(jù)為500kV／m［18］。

視人體為可活動(dòng)對(duì)象，人體與接地引下線之間距離并不固定，如考慮雷雨天氣打傘等因素會(huì)使問(wèn)題復(fù)雜化。因此，我們考慮人員朝向接地引下線伸展手臂后形成的空氣間隙為最惡劣情況，即在一個(gè)手臂距離以內(nèi)認(rèn)為人員可接觸到接地引下線的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，取人體身高1.8m，肩高1.6m，臂長(zhǎng)0.7m。其計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 垂直接地極在不同雷電流和土壤電阻率條件下臨界危險(xiǎn)范圍計(jì)算結(jié)果

圖5 水平接地極在不同雷電流和土壤電阻率條件下臨界危險(xiǎn)范圍計(jì)算結(jié)果

由圖4和圖5可知，隨著雷電流的增大，兩種接地極的臨界危險(xiǎn)范圍總體呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。隨著土壤電阻率的增大，兩個(gè)臨界危險(xiǎn)范圍也逐漸增大，100Ω·m情況下垂直接地極臨界危險(xiǎn)范圍相對(duì)更大，當(dāng)電流大于60kA時(shí)，土壤開(kāi)始放電，致使水平接地極的臨界危險(xiǎn)范圍隨著電流的增大而減小。在500Ω·m時(shí)出現(xiàn)部分安全距離相等，當(dāng)電流大于60kA時(shí)，兩個(gè)臨界危險(xiǎn)范圍完全相等。當(dāng)土壤電阻率大于1000Ω·m時(shí)，不同接地極形式下臨界危險(xiǎn)范圍的差異消失，這主要是由于土壤放電出現(xiàn)飽和效應(yīng)。

比較兩種接地極在不同土壤電阻率條件下的危險(xiǎn)距離可知：土壤電阻率是雷擊旁側(cè)閃絡(luò)距離的關(guān)鍵影響因素，接地體結(jié)構(gòu)在低土壤電阻率條件下對(duì)雷擊旁側(cè)閃絡(luò)距離才有一定影響，但閃絡(luò)距離遠(yuǎn)小于高土壤電阻率地區(qū)。因此，防止雷擊旁側(cè)閃絡(luò)安全問(wèn)題應(yīng)首先注意降低接地體周圍的土壤電阻率，可采用換土或降阻劑等方法；另外，接地引下線入地段應(yīng)做好絕緣防護(hù)，也可有效防止人員接觸和反擊閃絡(luò)事故。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述的計(jì)算分析，我們可以得出如下結(jié)論：

1）人站在被雷擊的直擊雷防護(hù)裝置旁存在旁側(cè)閃絡(luò)的傷害風(fēng)險(xiǎn)，臨界危險(xiǎn)范圍會(huì)隨著電流和土壤電阻率的增大而增大。

2）土壤電阻率是雷擊旁側(cè)閃絡(luò)距離的關(guān)鍵影響因素，接地體結(jié)構(gòu)在低土壤電阻率條件下對(duì)雷擊旁側(cè)閃絡(luò)距離才有一定影響，但閃絡(luò)距離遠(yuǎn)小于高土壤電阻率地區(qū)。在土壤電阻率100Ω·m情況下，垂直接地極較水平接地極臨界危險(xiǎn)范圍相對(duì)更大，土壤電阻率越大，電極形式導(dǎo)致的臨界危險(xiǎn)范圍差異越小，臨界危險(xiǎn)范圍具有飽和效應(yīng)。